「ネットワーク」は現代人のほとんどにとって「必需品」となっています。
そんな便利なネットワーク時代が到来する理由には、「光通信技術」が欠かせないと言えます。
1966 年、イギリスの中国のモロコシが光ファイバーの概念を提案し、これが光ファイバー通信の世界的な発展のクライマックスに火をつけました。初期のマルチモード ファイバを使用した通信システムは、1980 年代初頭に急速に導入されました。1990 年までに、2.4 Gb/s および 1.55 μm で動作する第 3 世代の光波システムが商用通信サービスを提供できるようになりました。
「光通信用ファイバーでの光の伝送」に画期的な貢献をした「ファイバーの父」モロコシは、2009 年のノーベル物理学賞を受賞しました。
光ファイバー通信は現在、現代通信の主要な柱の 1 つとなっており、現代の通信ネットワークで極めて重要な役割を果たしています。また、世界の新しい技術革命の重要なシンボルであり、将来の情報化社会における主要な情報伝達手段と見なされています。
近年、ビッグデータ、クラウドコンピューティング、5G、モノのインターネット、人工知能のアプリケーション市場が急速に発展しています。来るべき無人アプリケーション市場は、データ トラフィックに爆発的な成長をもたらしています。データセンターの相互接続は、徐々に光通信の研究に発展しました。ホットスポット。
Google の大規模データ センター内
現在のデータセンターは、もはや単一または少数のコンピュータールームではなく、データセンタークラスターのセットです.さまざまなインターネットサービスとアプリケーション市場の通常の作業を実現するために、データセンターは連携する必要があります.リアルタイムデータセンター間の大量の情報交換により、データセンター相互接続ネットワークの需要が生まれ、光ファイバー通信は相互接続を実現するために必要な手段になりました。
従来のテレコム アクセス ネットワークの伝送機器とは異なり、データ センターの相互接続では、より多くの情報と高密度の伝送を実現する必要があるため、スイッチング機器の高速化、低消費電力化、および小型化が求められます。光トランシーバモジュールの完成です。
光トランシーバモジュールに関するいくつかの基本的な知識
情報ネットワークは主に光ファイバーを伝送媒体として使用しますが、現在の計算と分析も電気信号に基づいている必要があり、光トランシーバーモジュールは光電変換を実現するためのコアデバイスです。
光モジュールのコア コンポーネントは、トランスミッタ (発光サブモジュール)/レシーバ (受光サブモジュール) またはトランシーバ (光トランシーバ モジュール)、電気チップであり、レンズ、スプリッタ、コンバイナなどの受動コンポーネントも含まれます。周辺回路構成。
送信側: 電気信号はトランスミッタによって光信号に変換され、光アダプタによって光ファイバに入力されます。受信側では、光ファイバ内の光信号が光アダプタを介してレシーバによって受信されます。そして電気信号に変換され、処理のために計算ユニットに送られます。
光トランシーバ モジュールの回路図
光電子集積技術の発展に伴い、光トランシーバモジュールのパッケージ形態もいくつかの変化を遂げました。光モジュール産業が形成される前、初期には主要な通信機器メーカーによって開発されました。インターフェイスはさまざまであり、普遍的に使用することはできませんでした。これにより、光トランシーバ モジュールを交換することはできませんでした。業界の発展のために、最終的な「マルチ ソース アグリーメント (MSA)」が策定されました。MSA 規格により、独自にトランシーバーの開発に専念する企業が台頭し始め、業界が盛り上がりました。
光トランシーバモジュールは、パッケージの形態に応じて、SFP、XFP、QSFP、CFP などに分けることができます。
· SFP (Small Form-factor Pluggable) は、最大 10Gbps の転送速度をサポートするテレコムおよびデータコム アプリケーション向けのコンパクトでプラグ可能なトランシーバ モジュール規格です。
XFP (10 ギガビット スモール フォーム ファクター プラグ可能) は、10G イーサネット、10G ファイバー チャネル、SONETOC-192 などの複数の通信プロトコルをサポートする 10G レートのスモール フォーム ファクター プラガブル トランシーバー モジュールです。他の 10Gbps トランシーバーより優れた消費電力特性を提供します。
QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable) は、高速データ通信アプリケーション向けのコンパクトでプラグ可能なトランシーバ規格です。速度に応じて、QSFP は 4×1G QSFP、4×10GQSFP+、4×25G QSFP28 光モジュールに分割できます。現在、QSFP28 はグローバル データ センターで広く使用されています。
· CFP (Centum gigabits Form Pluggable) は、伝送速度が 100 ～ 400 Gbps の標準化された高密度波光分割通信モジュールに基づいています。CFP モジュールのサイズは SFP/XFP/QSFP よりも大きく、一般にメトロポリタン エリア ネットワークなどの長距離伝送に使用されます。
データセンター通信用光トランシーバモジュール
データセンターの通信は、接続の種類に応じて 3 つのカテゴリに分けることができます。
(1) ユーザーにとってのデータセンターは、クラウドにアクセスして Web ページを閲覧したり、電子メールやビデオストリームを送受信したりするエンドユーザーの行動によって生成されます。
(2) データセンターの相互接続。主にデータの複製、ソフトウェア、およびシステムのアップグレードに使用されます。
(3) データセンター内では、主に情報の保管、生成、マイニングに使用されます。Ciscoの予測によると、データセンター内通信はデータセンター通信の70%以上を占めており、データセンター構築の進展により高速光モジュールの開発が進んでいます。
データ トラフィックは増加し続けており、データ センターの大規模化とフラット化の傾向により、次の 2 つの側面で光モジュールの開発が促進されています。
· 伝送速度要件の増加
・数量需要の増加
現在、グローバルデータセンターの光モジュールの要件は、10/40G 光モジュールから 100G 光モジュールに変更されています。中国の Alibaba Cloud Promotion は、2018 年に 100G 光モジュールの大規模なアプリケーションの最初の年になります。 2019年の400G光モジュール。
アリ クラウド モジュールの進化パス
大規模なデータセンターの傾向により、伝送距離の要件が増加しています。マルチモードファイバーの伝送距離は、信号速度の増加によって制限され、徐々にシングルモードファイバーに置き換えられると予想されます.ファイバーリンクのコストは、光モジュールと光ファイバーの2つの部分で構成されます.距離が異なれば、適用可能なソリューションも異なります。データセンター通信に必要な中距離から長距離の相互接続には、MSA から生まれた 2 つの革新的なソリューションがあります。
・PSM4（パラレルシングルモード4レーン）
・CWDM4（Coarse Wavelength Division Multiplexer 4レーン）
その中で、PSM4 ファイバーの使用量は CWDM4 の 4 倍です。リンク距離が長い場合、CWDM4 ソリューションのコストは比較的低くなります。以下の表から、データセンターの 100G 光モジュール ソリューションの比較を確認できます。
今日、400G 光モジュールの実装技術が業界の注目を集めています。400G 光モジュールの主な機能は、データ スループットを向上させ、データ センターの帯域幅とポート密度を最大化することです。ゲイン、低ノイズ、小型化、統合を実現し、次世代ワイヤレス ネットワークと超大規模データ センター通信アプリケーションのニーズに対応します。
初期の400G光モジュールは、CFP8パッケージで16チャネルの25G NRZ（Non-Returnto Zero）信号変調方式を採用していました。利点は、100G光モジュールで成熟した25G NRZ信号変調技術を流用できることですが、欠点は現在の 400G 光モジュールでは、8 チャネル 53G NRZ または 4 チャネル 106G PAM4 (4 パルス振幅変調）信号変調は、主に400G信号伝送を実現するために使用されます。
モジュールのパッケージ化に関しては、OSFP または QSFP-DD が使用され、どちらのパッケージも 8 つの電気信号インターフェイスを提供できます。比較すると、QSFP-DD パッケージはサイズが小さく、データセンター アプリケーションにより適しています。OSFP パッケージはサイズがわずかに大きく、消費電力が大きいため、テレコム アプリケーションにより適しています。
100G/400G 光モジュールの「コア」パワーを分析
100Gおよび400G光モジュールの実装について簡単に紹介しました。以下は、100G CWDM4 ソリューション、400G CWDM8 ソリューション、および 400G CWDM4 ソリューションの概略図で確認できます。
100G CWDM4 回路図
400G CWDM8 回路図
400G CWDM4 回路図
光モジュールにおいて、光電信号変換を実現する鍵となるのは光検出器です。これらの計画を最終的に達成するためには、「コア」からどのようなニーズを満たす必要がありますか?
100G CWDM4 ソリューションには 4λx25GbE の実装が必要であり、400G CWDM8 ソリューションには 8λx50GbE の実装が必要であり、400G CWDM4 ソリューションには 4λx100GbE の実装が必要です。 25Gbd および 53Gbd デバイス。400G CWDM4 方式は PAM4 変調方式を採用しており、これにはデバイスの変調レートが 53Gbd 以上である必要もあります。
デバイスの変調速度は、デバイスの帯域幅に対応します。1310nm 帯域の 100G 光モジュールの場合、帯域幅 25GHz の InGaAs 検出器または検出器アレイで十分です。